电子显微镜优秀PPT.ppt
电子显微镜你现在浏览的是第一页，共32页07肖文军肖文军厦门大学博士厦门大学博士化学学报化学学报 2007 SCI07夏安英夏安英中山市中山市European Polymer Journal 2007,43(4),1394 SCI07彭俊华彭俊华浙江浙江中国专利08陆军建陆军建上海上海Macromolecules,2008,41,5716-5722 (SCI IF 4.4)Journal of Physics Chemistry B,2009,113,4203(SCI 4.0)European Polymer Journal 2008,44,2348(SCI IF 2.0)08丁天朋丁天朋北京北京Journal of Appled Polymer Science 2008,102，3955 08伍伯林伍伯林深圳深圳中国专利09万梅秀万梅秀加拿大加拿大(博士后博士后)Journal of Appled Polymer Science 2009，in pressJournal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,Polymer for Advance technologies 2009,in press09李辉李辉深圳深圳Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry,2009,(SCI IF 3.5)09刘大喜刘大喜天津天津European Polymer Journal 2009,in press,(SCI IF 2.0)09刘益江刘益江长沙长沙Chemical Communication,2009,2499-2501,(SCI IF 5.1)你现在浏览的是第二页，共32页10.9 10.9 电子显微镜电子显微镜1 1、透射电子显微镜、透射电子显微镜(TEM)(TEM)2 2、扫描电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)(SEM)你现在浏览的是第三页，共32页 2020世纪世纪2020年代，发现电子流具有波动的性质，年代，发现电子流具有波动的性质，是一种电磁波，其波长比光波短是一种电磁波，其波长比光波短1010万倍以上如万倍以上如果能够制成一台用电子束成像的电子显微镜，分果能够制成一台用电子束成像的电子显微镜，分辨本领便可大大提高自辨本领便可大大提高自19321932年德国年德国RuskaRuska和和KnollKnoll研制出第一台电子显微镜，至今已研制出第一台电子显微镜，至今已6060余年余年经过半个多世纪的发展，今天的透射电子显微镜经过半个多世纪的发展，今天的透射电子显微镜(TEMTEM)不仅是一台放大倍数可达不仅是一台放大倍数可达100100万倍以上，可万倍以上，可以直接分辨小到一两个埃的单个原子的显微镜，以直接分辨小到一两个埃的单个原子的显微镜，并且还能进行并且还能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成分析纳米尺度的晶体结构及化学组成分析，成为全面评价固体微观结构的综合性仪器成为全面评价固体微观结构的综合性仪器你现在浏览的是第四页，共32页n 光学显微镜的分辨率为光波波长的一半光学显微镜的分辨率为光波波长的一半(约为约为20002000)，眼睛的分辨率为眼睛的分辨率为0.2mm0.2mm，因此光学显微镜最大放大倍数为，因此光学显微镜最大放大倍数为10001000倍倍,超过这个数值并不能得到更多的信息，而仅仅是将一个超过这个数值并不能得到更多的信息，而仅仅是将一个模糊的斑点再放大而已多余的放大倍数称为空放大。模糊的斑点再放大而已多余的放大倍数称为空放大。n 为了看清楚原子电镜必须有优于为了看清楚原子电镜必须有优于2.5 2.5 的原子尺寸的的原子尺寸的分辨率和分辨率和5050万万100100万倍的放大倍数，否则就不能在底片万倍的放大倍数，否则就不能在底片上记录下原子的存在。目前上记录下原子的存在。目前200kV200kV电镜的技术水平已达到电镜的技术水平已达到放大倍数放大倍数100100万倍，点分辨率万倍，点分辨率1.9 1.9，晶格分辨率，晶格分辨率1.4 1.4 目目前最高水平仪器的晶格分辨率可达前最高水平仪器的晶格分辨率可达.基本可以在底基本可以在底片上记录下原于的存在，清晰地反映原子在空间的排列片上记录下原于的存在，清晰地反映原子在空间的排列你现在浏览的是第五页，共32页1 1、透射电子显微镜透射电子显微镜(TEMTEM)（1 1）透射式电子显微镜的构造）透射式电子显微镜的构造n 电子显微镜的结构和光学显微镜相似电子显微镜的结构和光学显微镜相似,由电子枪、由电子枪、聚光镜、样品室、物镜、投影镜和照相室组成聚光镜、样品室、物镜、投影镜和照相室组成表表1 1给出了光学显微镜和电子显微镜的比较给出了光学显微镜和电子显微镜的比较 你现在浏览的是第六页，共32页 光学显微镜所用光源为可见光能在空气中传播而电子光学显微镜所用光源为可见光能在空气中传播而电子束是一种粒子流，当它进入物体后，和物质内的电子和原子发束是一种粒子流，当它进入物体后，和物质内的电子和原子发生作用而散射所以只能透过极薄的物体空气对电子起阻碍生作用而散射所以只能透过极薄的物体空气对电子起阻碍作用，因此，电镜内必须保持高真空，一般为作用，因此，电镜内必须保持高真空，一般为1010乇或更高乇或更高 你现在浏览的是第七页，共32页日本日本JEOLJEOL公司公司 JEM2100 JEM2100 高分辨透射电子显微镜高分辨透射电子显微镜你现在浏览的是第八页，共32页 JEOLJEOL20102010高分辨分析型透射电子显微镜的外形和结高分辨分析型透射电子显微镜的外形和结构示于图构示于图2.12.1。电子显微镜的结构由照明系统、成像系统、。电子显微镜的结构由照明系统、成像系统、观察和记录系统组成照明系统是由电子枪和聚光镜组观察和记录系统组成照明系统是由电子枪和聚光镜组成，成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。观察和记成，成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。观察和记录系统包括观察室、荧光屏和计算机等。录系统包括观察室、荧光屏和计算机等。电子枪是由阴极、阳极和栅极组成一般用钨丝作阴极，当在电子枪是由阴极、阳极和栅极组成一般用钨丝作阴极，当在阴极和阳极之间加上高压再加上灯丝电流以后，即可从钨丝发出阴极和阳极之间加上高压再加上灯丝电流以后，即可从钨丝发出电子束，通过阳极孔，照射到样品上一般透射电镜的加速电压为电子束，通过阳极孔，照射到样品上一般透射电镜的加速电压为5050200kv200kv。电压越高，电子束对物质的穿透能力越强，可以。电压越高，电子束对物质的穿透能力越强，可以观察较厚的样品，并且电子束对物质的辐照损伤越小。电镜中观察较厚的样品，并且电子束对物质的辐照损伤越小。电镜中用来使电子束聚焦的是电磁透镜电镜中的聚光镜是用来聚拢用来使电子束聚焦的是电磁透镜电镜中的聚光镜是用来聚拢电子束和调节电子束强度的一股采用双聚光镜系统，第一聚电子束和调节电子束强度的一股采用双聚光镜系统，第一聚光镜为短焦距强透镜，它将电子束斑直径缩小几十倍，而第二光镜为短焦距强透镜，它将电子束斑直径缩小几十倍，而第二聚光镜采用长焦距透镜，将电子束斑成像到样品上，从而使聚聚光镜采用长焦距透镜，将电子束斑成像到样品上，从而使聚光镜和样品之间有足够的工作距离，以便放置试样和各种附件光镜和样品之间有足够的工作距离，以便放置试样和各种附件你现在浏览的是第九页，共32页 物镜物镜(M(M0 0)用来获得被检物的一次放大像和衍射谱，用来获得被检物的一次放大像和衍射谱，它决定显微镜的分辨率，是电镜的心脏中间镜它决定显微镜的分辨率，是电镜的心脏中间镜(M(Mi i)是个可变倍率的弱透镜，它的作用是把物镜形成是个可变倍率的弱透镜，它的作用是把物镜形成酌一次中间像或衍射谱射到投影镜的物面上投酌一次中间像或衍射谱射到投影镜的物面上投影镜影镜(M(Mp p)把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光把中间镜形成的二次像及衍射谱放大到荧光屏上，一般具有屏上，一般具有2323个聚光镜和个聚光镜和4646个物镜加投影个物镜加投影镜。镜。电镜的总放大倍数等于成像系统各透镜放大倍数的电镜的总放大倍数等于成像系统各透镜放大倍数的乘积即：乘积即：MM0 0MMi iMMp p你现在浏览的是第十页，共32页 当一平行光束照射到一光栅上，除了当一平行光束照射到一光栅上，除了透射束透射束外，外，还会产生各级还会产生各级衍射束衍射束经过透镜的聚焦作用，在其后经过透镜的聚焦作用，在其后焦面上产生衍射振幅的极大使每一个振幅的极大值都可焦面上产生衍射振幅的极大使每一个振幅的极大值都可看作是次级振动中心，由这里发出的次级波在像平面上看作是次级振动中心，由这里发出的次级波在像平面上相干成像即透镜的成像过程可分为两个过程：第一个过相干成像即透镜的成像过程可分为两个过程：第一个过程是平行光束受到物质的散射作用而分裂为各级程是平行光束受到物质的散射作用而分裂为各级衍射衍射谱谱，即由物变换到衍射谱的过程；第二个过程是各级，即由物变换到衍射谱的过程；第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成像点即由衍衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成像点即由衍射谱重新变换到物射谱重新变换到物(像是像是放大了的物放大了的物)的过程的过程你现在浏览的是第十一页，共32页 在电镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中在电镜中，物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而在荧光屏上得到三次放间镜和投影镜的放大作用而在荧光屏上得到三次放大像中间镜的物面与物镜的像面相重，而投影镜大像中间镜的物面与物镜的像面相重，而投影镜的物面又与中间镜的像面相重这样，中间镜把物的物面又与中间镜的像面相重这样，中间镜把物镜产生的放大像投影到投影镜的物面上，再由投影镜产生的放大像投影到投影镜的物面上，再由投影镜把它投射到荧光屏上镜把它投射到荧光屏上 你现在浏览的是第十二页，共32页（2 2）制样方法制样方法(1)(1)金属载网和支持膜金属载网和支持膜n 在光学显微镜下研究各种对象时，试样是放置在玻璃载玻在光学显微镜下研究各种对象时，试样是放置在玻璃载玻片上但在电镜下，由于电子束的穿透能力很弱，不能采用片上但在电镜下，由于电子束的穿透能力很弱，不能采用玻璃片作为支持物，而是采用一种很簿的电子透明的薄膜附玻璃片作为支持物，而是采用一种很簿的电子透明的薄膜附着在金属网上作为支持膜着在金属网上作为支持膜n 常用的金属载网是直径为常用的金属载网是直径为3 mm3 mm的铜网其网孔的样式的铜网其网孔的样式随制作方法和所观察的试样不同而有差异如图随制作方法和所观察的试样不同而有差异如图2.32.3所示对所示对超薄切片试样，多用每英寸超薄切片试样，多用每英寸200200目的载网，以保证目的载网，以保证7070以上的以上的电子光束通过对粉末样品一般以网孔小为宜，可增加支持电子光束通过对粉末样品一般以网孔小为宜，可增加支持膜的牢固性。膜的牢固性。支持膜应当易被电子穿透，有足够的机械强支持膜应当易被电子穿透，有足够的机械强度，耐电子束轰击，并具有化学稳定性由于任何材料制成度，耐电子束轰击，并具有化学稳定性由于任何材料制成的膜都或多或少会造成某种程度的电子散射而降低试样的反的膜都或多或少会造成某种程度的电子散射而降低试样的反差和结构分辨率，因此，支持膜不应太厚，一般在差和结构分辨率，因此，支持膜不应太厚，一般在200200以以下为宜对较厚的试片，有时也可不用支持膜，将试片直接下为宜对较厚的试片，有时也可不用支持膜，将试片直接故在金属载网上观察故在金属载网上观察你现在浏览的是第十三页，共32页你现在浏览的是第十四页，共32页SeZn quantum dots-PS film in CHCl3 solution by ultrasonic for 10 min(2)(2)高聚物薄膜的制备方法高聚物薄膜的制备方法 由高分子试样由高分子试样0.10.1一一0.50.5的稀溶液在水面或甘油表面制成薄膜，或直的稀溶液在水面或甘油表面制成薄膜，或直接滴在带有支持膜的铜网上，待溶剂挥发后，即可得到适于观察的试片。对于接滴在带有支持膜的铜网上，待溶剂挥发后，即可得到适于观察的试片。对于不能溶解或不宜溶解的粉末试样，可制成悬浮液，再滴膜不能溶解或不宜溶解的粉末试样，可制成悬浮液，再滴膜你现在浏览的是第十五页，共32页 图图2.4.12.4.1为顺丁橡胶在不同尺度的电镜照片，其基本结构单元为为顺丁橡胶在不同尺度的电镜照片，其基本结构单元为链节，相当于链节，相当于170170个碳原子的链段组成的直径为个碳原子的链段组成的直径为2020的球形结构的球形结构（图（图2.4.1a2.4.1a），由这些链节组成），由这些链节组成100120100120直径相当于几个至几直径相当于几个至几十个大分子的链球（图十个大分子的链球（图b b），为超分子结构。由链球聚集的胶团为），为超分子结构。由链球聚集的胶团为几个微米（图几个微米（图c c）。）。你现在浏览的是第十六页，共32页你现在浏览的是第十七页，共32页你现在浏览的是第十八页，共32页(3)(3)多组分聚合物的形态观察多组分聚合物的形态观察 透射电镜也是研究高聚物合金、共聚共混物微相透射电镜也是研究高聚物合金、共聚共混物微相结构的有力工具图结构的有力工具图2.62.6（a a）是两种都能结晶、但不共）是两种都能结晶、但不共晶的高聚物稀土顺晶的高聚物稀土顺-1-14-4-聚丁二烯及反聚丁二烯及反-1-1，4-4-聚丁二烯聚丁二烯结晶的电子显微镜照片。其中长片层为顺结晶的电子显微镜照片。其中长片层为顺-l-l，4-4-聚丁二聚丁二烯片层，而短的白色片层为反烯片层，而短的白色片层为反-1-1，4-4-聚丁二烯结晶图聚丁二烯结晶图2.62.6（b b）是稀土顺）是稀土顺-1-1，4-4-聚丁二烯与聚丁二烯与1 1，2-2-聚丁二烯共混聚丁二烯共混物得到的两相聚合物，其中物得到的两相聚合物，其中1 1，2-2-聚丁二烯中双键在侧链聚丁二烯中双键在侧链上，上，OsOOsO4 4染色较容易，为深色区域而顺染色较容易，为深色区域而顺-1-1，4-4-聚丁二聚丁二烯中双键在主链上，烯中双键在主链上，OsOOsO4 4不易染色、呈浅色的连续相。不易染色、呈浅色的连续相。你现在浏览的是第十九页，共32页图图2.62.6（a a）稀土顺）稀土顺-1-14-4-聚丁二烯聚丁二烯 及反及反-1-1，4-4-聚丁二烯结晶的电子聚丁二烯结晶的电子显微镜照片显微镜照片（b b）稀土顺）稀土顺-1-14-4-聚丁二烯聚丁二烯 及反及反-1-1，2-2-聚丁二烯共混物聚丁二烯共混物的电子显微镜照片的电子显微镜照片你现在浏览的是第二十页，共32页SBSSBS薄膜试样超薄切片的电镜照片，薄膜试样超薄切片的电镜照片，OsO4OsO4染色；黑色部分是聚丁二烯橡胶相，染色；黑色部分是聚丁二烯橡胶相，白色部分是聚苯乙烯塑料相白色部分是聚苯乙烯塑料相.a.a拉伸前；拉伸前；b b=80=80；c c=500=500；d d=600=600回复后室温放置数日，回复后室温放置数日，e e 伸至伸至600600回复后回复后100100加热加热2 2小时小时 你现在浏览的是第二十一页，共32页2 2、扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)(SEM)你现在浏览的是第二十二页，共32页你现在浏览的是第二十三页，共32页 扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜不同，是利用扫描电扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜不同，是利用扫描电子束从固体表面得到的反射电子图像，在阴极摄像管子束从固体表面得到的反射电子图像，在阴极摄像管(CRT)(CRT)的荧的荧光屏上扫描成像的光屏上扫描成像的 从阴极发出的电子受从阴极发出的电子受530kV530kV高压加速，经过三个磁透镜三高压加速，经过三个磁透镜三级缩小，形成一个很细的电子束，聚焦于样品的表面入射级缩小，形成一个很细的电子束，聚焦于样品的表面入射电子与试祥中的原于相互作用而产生二次电子这些二次电电子与试祥中的原于相互作用而产生二次电子这些二次电子经聚焦、加速子经聚焦、加速(10kV)(10kV)后打到由闪烁体和光电倍增管组成的探测后打到由闪烁体和光电倍增管组成的探测器上，形成二次电子信号。此信号随试样表面形貌、材料等因素而器上，形成二次电子信号。此信号随试样表面形貌、材料等因素而变，产生信号反差经视频放大后，调制显像管亮度由于显示器变，产生信号反差经视频放大后，调制显像管亮度由于显示器的偏转线圈电流与扫描线圈中的电流同步，因此显像管荧光屏上的的偏转线圈电流与扫描线圈中的电流同步，因此显像管荧光屏上的任一点的亮度便与试样表面上相应点发出的二次电子数一一对应任一点的亮度便与试样表面上相应点发出的二次电子数一一对应结果像电视一样，在荧光屏上形成一试样表面的像图像可直接观结果像电视一样，在荧光屏上形成一试样表面的像图像可直接观察也可照相察也可照相(图图2.8)2.8)。1 1SEMSEM原理和构造原理和构造你现在浏览的是第二十四页，共32页你现在浏览的是第二十五页，共32页 图像放大倍数由显像管屏幕尺寸和电子探针扫描图像放大倍数由显像管屏幕尺寸和电子探针扫描区的尺寸之比来决定区的尺寸之比来决定(长度比长度比)当显像管显示面积不当显像管显示面积不变时，调节样品高度，改变镜筒内扫描线圈的扫描变时，调节样品高度，改变镜筒内扫描线圈的扫描电流，就可以方便地改变图像的放大倍数。扫描电电流，就可以方便地改变图像的放大倍数。扫描电镜的分辨率主要取决于信噪比、电子束斑的直径镜的分辨率主要取决于信噪比、电子束斑的直径(一一般为般为37nm)37nm)和入射电子束在样品中的散射此外，电和入射电子束在样品中的散射此外，电源的稳定度、外磁场的干扰等也对分辨率有影响一般源的稳定度、外磁场的干扰等也对分辨率有影响一般扫描电镜的分辨率为扫描电镜的分辨率为7nm7nm左右。左右。你现在浏览的是第二十六页，共32页2 2 扫描电镜样品的制备扫描电镜样品的制备 扫描电镜样品需具有导电性，以便把照射到试扫描电镜样品需具有导电性，以便把照射到试样表面的电子束的电子传导出来否则电子在试样样表面的电子束的电子传导出来否则电子在试样表面集中，形成电荷积累而不能成像。高聚物试样表面集中，形成电荷积累而不能成像。高聚物试样导电性差，需要在试样表面喷镀一层导电层，镀膜导电性差，需要在试样表面喷镀一层导电层，镀膜装置见装置见2.102.10。一般采用金、铂或碳等材料由于扫描。一般采用金、铂或碳等材料由于扫描电镜观察的是试样的表面，电子束不需透过试样，因此电镜观察的是试样的表面，电子束不需透过试样，因此试样不必太薄试样制备简单，试样尺寸可在几个毫米试样不必太薄试样制备简单，试样尺寸可在几个毫米至几个厘米的范围对一些薄膜或断口可直接观察。至几个厘米的范围对一些薄膜或断口可直接观察。你现在浏览的是第二十七页，共32页你现在浏览的是第二十八页，共32页你现在浏览的是第二十九页，共32页n 入射电子与试样相互作用，除产生入射电子与试样相互作用，除产生二次电子外，还可产生背散射电子、二次电子外，还可产生背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、X X射射线及阴极荧光等信号，如图线及阴极荧光等信号，如图2.92.9所示经所示经相应的探测器接受放大后，可获得由各相应的探测器接受放大后，可获得由各种不同信号形成的图像，如二次电子像、种不同信号形成的图像，如二次电子像、吸收电子像、背散射电子和俄歇电子像吸收电子像、背散射电子和俄歇电子像等由于上述各种信号在试样中的散射范等由于上述各种信号在试样中的散射范围不同，所以分辨率也不同在加速电围不同，所以分辨率也不同在加速电压为压为2030kV2030kV时，二次电子的分辨率约为时，二次电子的分辨率约为几纳米，几纳米，x x光像的分辨率在微米的范围，背散光像的分辨率在微米的范围，背散射电子像的分辨率在两者之间射电子像的分辨率在两者之间n 应用入射电子与试样相互作用，产生的应用入射电子与试样相互作用，产生的各种信号可对试祥进行综合结构分析。特别各种信号可对试祥进行综合结构分析。特别是通过是通过X X射线谱仪测定自试样发出的特征射线谱仪测定自试样发出的特征X X射射线谱，可进行微区化学成分的定性定线谱，可进行微区化学成分的定性定量分析。量分析。4 4 电子探针显微分析电子探针显微分析你现在浏览的是第三十页，共32页5.5.扫描电子显微镜在共混聚合物及其复合材料扫描电子显微镜在共混聚合物及其复合材料 的的应用应用 上左图是上左图是EPDM/PPEPDM/PP共混型热塑弹性体的扫描电镜照片。白色区共混型热塑弹性体的扫描电镜照片。白色区域为域为PPPP的骨架，而黑区域为被溶剂提取的骨架，而黑区域为被溶剂提取EPDMEPDM橡胶后的孔洞。橡胶后的孔洞。上右图为玻璃纤维上右图为玻璃纤维/环氧树脂复合材料断面的环氧树脂复合材料断面的SEMSEM照片可清晰照片可清晰地看出玻璃纤维在环氧树脂中的分布。地看出玻璃纤维在环氧树脂中的分布。你现在浏览的是第三十一页，共32页 a,ca,c为镀镍为镀镍PETPET纤维纤维,b,d,b,d为镀镍为镀镍PETPET纤维纤维/环氧树脂复合材料断面的环氧树脂复合材料断面的SEMSEM照片照片 W Zeng,S T Tan,Polymer Composites 2006,W Zeng,S T Tan,Polymer Composites 2006,2006，27(1),24-29 你现在浏览的是第三十二页，共32页
